JPS62227331A - 超音波計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 生体内に対して超音波を送、受信し生体内からの反射波
に包含される生体の音響特性、特に特定深度の組織から
の反射波の位相の周波数依存性を測定する超音波計測装
置に関するものである。

従来の技術 生体内の情報を超音波を用いて得る方式として超音波診
断装置がある。超音波診断装置は生体内に超音波を送波
し生体内の反射波より生体内の情報を得る反射エコー法
として良く知られている。

反射エコー法は生体内の音響インピーダンス差のある界
面からの反射エコー強度、すなわち振幅値と超音波の伝
搬時間とから生体内の情報を２次元的に集め表示するこ
とで断層像を得るものである。

しかし、近年、おもに生体内組織の形状判断を行う超音
波診断装置に対し、生体内組織の形状のみならずをの質
の情報も得たいという要望も高まっている。このような
生体組織の質に関する情報は、例えば生体内での超音波
の減衰の大きさ、音速等を計測することで可能である。

これはティシーキャラクタリゼイションと呼ばれ、近年
これらの研究が盛んになっている。

生体内組織の質の情報を得る一つの方法として音速を測
定する方式がある。音速の値が生体の組織に依存してそ
の値が変化することは良く知られており、例えば奥山大
太部、他編集「超音波診断マニュアル」、１９８１．６
．２０、テクノ、第３頁に代表的な組織とその音速の値
が記載されている。又実際に生体内の組織の音速を得る
方法が交差ビーム法として知られており、例えば日本超
音波医学会研究発表会論文集、４５号、２１〜２２頁、
１９８４に記載されている。

以下、第４図を参照して交差ビーム法について説明する
。

第４図において、】、２はそれぞれ超音波の送、受信を
行う超音波変換器、３は超音波変換器１．２を所定の角
度、間隔で固定する保持器、４は被検体、５は超音波変
換器１のビーム方向、６は超音波変換器２のビーム方向
Ｐはビーム方向５とビーム方向６が交差する点である。

以上のような構成において、以下その動作について説明
する。

まず超音波変換器１において駆動パルスが加えられ、生
体４内へ超音波パルスが照射される。超音波パルスはビ
ーム方向５に沿って生体内の組織により散乱されながら
進行する。その後、超音波パルスは点１）に到達し、そ
こで散乱された超音波パルスの一部はビーム方向６を逆
行して超音波変換器２に到達する。ビーム方向５．６に
沿った超音波パルスの伝搬距離は、超音波変換器１．２
と保持器３の寸法により決まるから、超音波パルスの伝
搬時間を計測することにより生体内の組織の音速を求め
ることが可能である。

発明が解決しようとする問題点 しかし、以上のような構成は生体内において音速が至る
所一定であるという前提のもとで音速６＋１１定が可能
であり、実際の生体のように組織に依存して音速が変化
する場合には音波ビーム方向は複雑に屈折するだめ、超
音波の伝搬径路を直線で近似して音速を求めるという方
法は誤差が多く問題があった。

本発明は従来技術の以上のような問題点を解決するもの
で、生体のように組織に依存し、て音速が変化する場合
にも任意の箇所において音速に関するデータを検出する
ことを目的とするものである。

問題点を解決するだめの手段 本発明は異なる周波数の複数の駆動パルスを生体内に同
時に照射し、かつタイミング制御部によりこれらの駆動
パルスの位相関係を変化させるとともに、複数ゲート区
間において受信信号の位相を検出し、各ゲート間におけ
る位相差を求め、この位相差の変化から位相シフトを求
め、又、受信信号の位相を検出する検査周波数を変化さ
せて位相シフトを求め、これらの位相シフトに関するデ
ータから消去演算により異なる周波数における位相速度
の比を求めることにより上記目的を達成するものである
。

作用 本発明は上記構成により、複数の異なる周波数の超音波
パルスの非線形伝搬による位相シフト、ならびに生体内
組織の音速の周波数依存による位相シフトを検出し、こ
れらの位相に関するデータから任意のゲート区間におけ
る組織の音速の位相３５５〜３７７頁に記載されている
。従ってこのようにして得られた位相速度の周波数依存
に関するデータから逆に組織を特定化することも可能で
ある。

実施例 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明
する。

第１図は本発明の一実施例における超音波計測装置の機
能ブロック図である。

第１図において、１０は低周波側の超音波変換器、】１
は高周波側の超音波変換器、１２は超音波変換器１０を
駆動するパルス駆動器、１３は超音波変換器１１を駆動
するパルス駆動器、１４はパルス駆動器１２．１３より
構成されるパルス駆動部、１５はパルス駆動器１２．１
３の出力の位相関係を制御するタイミング制御部、１６
はタイミング制御部１５ヘクロツクを供給するクロック
発生部、１７は高周波側の超音波変換器１１からの受信
信号を増幅するプリアンプ、１８．１９はプリアンプ１
７の出力に接続された位相検波器、２０はクロック発生
部１６からクロックを供給され位相検波信号の周波数を
発生させる位相制御部であり位相制御部２０は検査周波
数を変化させる手段も有する。２１は位相制御部２０の
出力に接続された位相検波信号発生部であり、位相検波
器１８へＣＯＳ信号、位相検波器１９へＳＩＮ信号を加
える。２２．２３は積分器でありタイミング制御部１５
が発生するゲートパルス信号ｇｌのタイミングにおいて
、それぞれ位相検波器１８．１９の出力を積分する。２
４．２５はＡ　／　Ｄ変換器であり、積分器２２．２３
の出力をディジタル信号へ変換する。２６．２７は積分
器でありタイミング制御部１５が発生するゲートパルス
信号ｇ２のタイミングにおいて、それぞれ位相検波器１
８．１９の出力を積分する。タイミング制御部１５は複
数のゲート区間発生手段としても動作する。

２８．２９はＡ／Ｄ変換器であり、積分器２６．２７の
出力をディジタル信号へ変換する。位相検波器１８．１
９、積分器２２．２３．２６．２７、Ａ　／　Ｄ変換器
２４．２５．２８．２９により位相検出手段３０を構成
する。３１はＡ／Ｄ変換器２４．２５の出力から位相角
φ５、Ａ／Ｄ変換器２８．２９の出力から位相角φ、を
計算する演算器、３２は演算器３１の位相角φ１出力を
記憶するメモリ、３３は演算器３１の位相角Φ２出力を
記憶するメモリ、３４はメモリ３２．３３の内容である
位相角φ２、φ、がら位相差Δφを出力する演算器であ
り、演算器３１．３４、メモリ３２．３３により位相差
演算手段３５を構成する。３６は位相差演算手段３５の
位相差ΔΦ比出力記憶する第１のメモリ、３７は位相差
Δφ比出力記憶する第２のメモリ、３８はメモリ３６．
３７の内容の減算を行い位相シフト△△φを出力する演
算器であり、メモリ３５．３６、演算器３８で位相シフ
ト演算手段３９を構成する。４０．４１．４２．４３は
メモリであり、前記したシステムの異なる状態で得られ
だ演算器３８の位相シフトΔΔφ出力をそれぞれ記憶し
、演算器材はメモリ４０．４１及び４２．４３の内容に
ついて消去演算を行い、異なる周波数における位相速度
の比を求める演算器であり、メモリ４０．４１．４２．
４３、演算器材で消去演算部４５を構成する。４６は演
算器材の出力を表示する表示部、５０は被検体、Ｒ１は
被検体５０内の第１の反射体Ｒ２は第２の反射体である
。

以上のような構成において、以下その動作を説明する。

まず、パルス駆動部１４の状態ａにおいて低周波側の超
音波変換器１０が出力する超音波パルスと高周波側の超
音波変換器１１が出力する超音波パルスのそれぞれの粒
子速度波形の互いの位相関係を第２図（ａ）、（ｂ）に
示す。低周波側の超音波パルスは例えば０．２５　ＭＨ
ｚ、高周波側の超音波パルスは例えば２．５　Ｍ　Ｈｚ
としその中心周波数は大幅にずらしである高周波側のパ
ルスは低周波側のパルスの粒子速度の方向が超音波進行
方向と同一である時に出力されている。高周波側パルス
の主応答部分は、低周波側のパルスの半サイクル以内に
収まっている。一方、状態すにおいては低周波側パルス
の粒子速度方向が超音波進行方向に対して逆方向である
ときに出力されるとする。

このような位相、及び周波数関係で出力された超音波パ
ルスが被検体５０内を重なり合いながら伝搬する様子を
詳しく説明する。通常の超音波診断装置で用いられる程
度のピーク超音波出力レベルの場合でも伝搬の非線形現
象により超音波パルスの伝搬速度はパルス波形の山と谷
では異なる。この関係は次式で表わされる。

０　”　Ｏａ±（ｌ＋−！−（旦））ｕ＝ｏ、±Δｅ−
＝・（Ｌ）Ａ ここでＢ／Ａは伝搬媒体の非線形パラメータであり、生
体の場合組織により異なるが、例えば６程度の値である
。Ｃ０は無限小振幅超音波の位相速度、Ｕは粒子速度で
ある。粒子速度Ｕは超音波パワーＩ　Ｗ／ｃｎ’ｉの場
合水中で約１２　ｃｍ　／　ｓｅｅとなる。第２図の状
態ａにおける高周波側の超音波パルスの伝搬速度の場合
ΔＣは約５０ｃｍ／ｓｅｃとなる。生体内における位相
速度Ｃ８を１５００　ｍ／ｓｅｅとすれば、この位相速
度の相対的な変化量△Ｃ／Ｃｏは００３チ程度にすぎな
いが、この程度の音速の変化量でも精密な位相検波技術
により精度良く検出することが可能である。

第２図（ａｌ、（ｂ）に示す関係で出力された高周波側
のパルスが反射値Ｒ１、Ｒ２により反射され、その受信
信号が位相検波される過程を次に示す。反射体Ｒ１、Ｒ
２からのエコーは高周波側の変換器１１において電気信
号に変換され、プリアンプ１７で増幅され、位相検波器
１８．１９により周波数ｆで位相検波される。周波数ｆ
の値は高周波側の駆動周波数２、５　Ｍ　Ｈｚの近傍、
例えば１．５〜３　ＭＨｚの中の適当な周波数が選択さ
れる。どの周波数が選択されるかは後で説明する。直交
する周波数ｆのＣＯ８信号とＳＩＮ信号は直交位相検波
信号発生部２１で発生する。直交位相検波信号発生部２
１は、位相制御部２０に同期しており、位相制御部２０
はクロック発生部１６に同期している。位相制御部２０
を市販のシンセサイザを用いて構成しても良い。ゲート
パルス信号ｇＩのタイミングで位相検波器１８の出力は
積分器２２により積分され、位相検波器１９の出力は積
分器２３で積分される。ゲートパルス信号ｇ２のタイミ
ングでは位相検波器１８の出力は積分器２６により積分
され、位相検波器１９の出力は積分器２７により積分さ
れる。位相検波器２２．２３の出力はＡ／Ｄ変換器２４
．２５によりデジタル量ＤＣ，ＤＳへ変換される。デジ
タル量ＤＯとＤＳを次式のように複素数の実部と虚部と
みなし Ｚ＝ＤＣ＋ｊ−ＤＳ　　　　　　　　　・旧−（２）と
したときの複素数Ｚの位相角φを求めれば、位相角グは
受信信号の周波数ｆ成分に関する位相検波信号との相対
的な位相差である。位相角φは演算器３１で計算される
。Ａ　／　Ｄ変換器２６．２７の出力についても同様に
位相角が計算される。ゲートパルス信号ｇ＋のタイミン
グに対応した位相角銘が反射体Ｒ１によるものであり、
ゲートパルス信号ｇ２のタイミングに対応した位相角φ
、は反射体Ｒ２によるものであるとする。反射体現、Ｒ
７からのエコーとゲートパルス信号ｇ３、Ｒ２のタイミ
ング関係を第３図（ａｌ、（ｂ）に示す。位相角φ、は
メモリ３２へ記憶され、位相角φ、はメモリ３３へ記憶
され、演算器３４において位相差△φ △φ＝φ、−鏝２　　　　　　　　　　　・・・・・・
（３）が計算される。

一方、反射体Ｒ，と島の間の距離はΔＸ　（ω）と表す
ことができる。ここで距離ΔＸを角周波数ω　（＝２π
・「）の関数としたのは反射体Ｒ，、Ｒ，。

の超音波の反射率が周波数により変化するような場合に
は、これら反射体の実質的な反射面を超音波変換器から
の最短距離の点であると固定することはできないからで
ある。従って、反射体比ｌと喝における実質的な音波の
反射面の間の距離ΔＸは角周波数ωの関数で表わされる
。この未知の量である距離ΔＸ　（ω）を用いることに
より位相差△φ（ω）は次式で表わされる。

△φ（ω）＝」仁△Ｘ（ω）−」−ΔＸ（ω）　　・・
・・・・（４）Ｃ（ω）Ｃ０（ω） ここで、位相速度Ｃ０、Ｃを角周波数ωの関数で表わす
ことにより位相速度が分散特性を有することを明確にす
るためである。この分散特性については後で詳しく説明
する。

パルス、駆動部１４の状態ａにおける位相差を△φ０状
態すにおける位相差をΔφｂとし、位相差Δグ。

をメモリ３６へ、位相差Δφｂをメモリ３７へ記憶する
。位相差Δφ。と位相差△φｂの差、位相差変化△△φ
は演算器３８において以下の様に計算される。

△Δφ＝ΔＩ２５ｎ−△φｂ　　　　　　　　・・印・
（５）パルス駆動部１４の状態ａにおける高周波側のパ
ルスの位相速度をＣ０＋△Ｃ１状態すにおける位相速度
を００−ΔＣとすれば位相差変化△△φは次式％式％ こでΔ【は無限小振幅超音波が反射体現と亀の間を往復
するのに要する時間である。又ΔΔφの括弧内のパラメ
ータＮはこの位相シフトが非線形現象により生じること
を示す。（６）式は（１）式で用いた非線形パラメータ
Ｂ／Ａを用いて次式の様に表せる。

（力式において用いた遅延時間Δｔ（ω）は以下に示す
ように測定可能な量であるから、異なる角周波数ω、と
ω２において位相シフトΔΔρを求めその比を計算すれ
ば位相速度の比を既知量で表わすことが可能である。

遅延時間Δｔ（ω）は以下の様にして求めることができ
る。まず低周波側のパルス駆動器１２を停止した状態で
高周波側のパルス駆動器１３のみを動作させ受信信号を
角周波数ωで位相検波器１８．１９で位相検波し、前に
述べたと同様にして、受信信号の反射体Ｒ６による位相
角φ１をメモリ３２、反射体Ｒ２による位相角１２をメ
モリ３３へ記憶し、演算器３４において位相差Δφ（ω
）を求め、メモリ３６へ記憶する。

位相差Δφ（ω）は次式で表せる。

２・△Ｘ（ω） △鈎ω）＝□・ω　　　　　　　　　・・・・・・（１
０）ＣＯ（ω） 次に、角周波数ω＋Δωで受信信号を位相検波し、位相
差Δφ（ω＋Δω）をメモリ３７へ記憶する。位相検波
の周波数の変化は位相制御部２０の発振周波数を変化す
ることで実行される。位相検波の周波数を変化させたこ
とによる位相差△φの差、位相シフトΔΔφは演算器３
８において以下の様に計算される。

Δ△ｐ＝Δ殻（ω）−Δρ（ω＋△ω）　　　　　・・
・・・・（１１）角周波数Δωの変化が小さいとすれば
位相シフトΔΔφは次式で近似される。

２・ΔＸ（ω） （ω＋ム）＝□・ム＝Δ＋（ω）・ム　　・・・・・・
（＋２）Ｃ，（ω） ここでΔΔφの括弧内のパラメータΔωはこの位相シフ
トが位相検波周波数の変化により生じることを示す。上
式より遅延時間Δｔ（ω）は次式で表わせる。

ΔΔφ（Δω、ω） Δｔ（ω）＝□　　　　　　　　・・・・・・（１３）
Δω （１３）式を用いることにより、位相速度の比を表す（
９）式は次式の様に測定可能な量で表せる。

以上述べた関係から異なる角周波数ωｌとω２における
位相速度の比を具体的に求めることが可能である。

まず、位相検波の角周波数をω、としパルス駆動部の状
態ａで超音波の送、受信、続いて状態すで超音波の送、
受信を行い、得られた位相シフトΔΔρ（Ｎ、ω、）を
メモリ４０へ記憶する。次に低周波側のパルス駆動器１
２の動作を停止した状態で高周波側の超音波変換器のみ
による超音波の送、受信を２回行い、第１回目は角周波
数ω、で位相検波を行い、第２回目は角周波数ω１＋Δ
ωで位相検波を行い、得られた位相シフトΔ△ｐ（Δω
、ω１）をメモリ４１へ記憶する。次に位相検波の角周
波数をω、とし、同様な送、受信、位相検波を行い、得
られた位相シフト△Δρ（Ｎ、ω、）をメモリ４２へ、
ΔΔφ（Δω、ω２）をメモリ４３へ記憶する。演算器
４４においてはメモリ４０．４１．４２．４３の内容と
、角周波数ω０、ω、の値をもとに（］４）式に示しだ
乗除算を行い位相速度の比を求める。なおこの位相速度
の周波数による変化は、すなわち分散特性は例えばω２
／ω、＝２の場合、脂肪組織では］　ｍ　／　ｓｅｅ、
筋肉では３ｍ／ｓｅｃ程度であることが知られている。

ω２／ω１＝２とすると高周波側の駆動周波数２．５Ｍ
Ｈｚに対してω＋　＝　２　πＸ　１．５　Ｍ　Ｈｚ、
ωｔ＝２　πＸ３ＭＨｚは適当な選択であるにのように
して得られた位相速度の比Ｃ，（ω２　）／′Ｃｏ　（
ωｌ）は表示部４６へ表示される。

以上の説明から明らかなように本実施例によれば、タイ
ミング制御部１５、パルス駆動部１４により異なる周波
数の駆動パルス間の位相を制御することにより、伝搬の
非皺形現象にもとづく反射信号の位相シフトΔΔφ（Ｎ
、ω）を求め、次に位相制御部２０の発振周波数をわず
かに変化させて反射信号の位相シフトΔΔφ（Δω、ω
）を求め、これらの測定を位相検波の角周波数ω＝ω、
とω２で行い、消去演算部４５により位相速度の比を求
めることができ、従来例のような伝搬径路に影響される
測定法ではないので精度高く生体内の組織の音速に関す
るデータを得ることができる。

なお、以上の説明では、高周波側のパルス駆動器１３の
中心周波数は一定としたが位相検波の周波数を変化させ
るのに連動してその中心周波数を変化させても良い。又
、ここで得られた音速に関するデータを通常のＢモード
断層像と同時に表示する種々の方式が考えられ、例えば
断層像上にゲート区間を対応させ、このゲート位置に位
相速度の比の値を擬似カラーで表示する等の方法が考え
られる。又、位相速度の比をＳ／Ｎ良く得るために、多
数回測定した結果を平均するというような手段を用いて
もよい。又、プリアンプ１７の後に波形メモリを設け、
多くの波形を記憶した後に位相検波、各種演算を行うこ
とも可能である。又、位相検波器１つに対して２つの積
分器を設けたが、積分器の数は任意に選ぶことが可能で
ある。

発明の効果 以上のように本発明は、異なる周波数の位相制御された
駆動パルスの送、受信、及び位相検波の周波数を制御、
変化させることにより得られた複数ゲート区間の受信信
号の位相シフトを検出し、この位相シフトデータを消去
演算することにより異なる周波数における位相速度の比
を得るものであり、生体内において超音波パルスが複雑
に屈折、あるいは反射体の反射率が周波数特性を有する
場合にも正確に音速に関する情報を得ることができ、そ
の効果は大きい。

ハルスの侃相関保の一例を示す飄第３図（ａ）、（ｂ）
はＳ。

本実施例の反射体からのエコーとゲートパルスのタイミ
ング関係の一例を示す図、第４図は従来の超音波計測装
置の概念図である。

１０．１１・・・超音波変換器、１４・・・パルス駆動
部、１５・・・タイミング制御部（複数のゲート区間発
生手段）３０・・・位相検出手段、３５・・・位相差演
算手段、３９・・・位相シフト演算手段、４５・・・消
去演算手段。

代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男ほか１名−１２
図 （上清ｊ１行方向） 第　３　図 （ｂ）　　　ゲート／ず１し人 をン 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 互いに異なる周波数の複数の駆動パルスを発生するパル
   ス駆動部と、前記複数の駆動パルス間の位相を制御する
   タイミング制御部と、前記パルス駆動部に接続された超
   音波変換器と、前記超音波変換器からの受信信号に対す
   る位相検出手段と、前記位相検出手段の検査周波数を変
   化させる手段と、前記パルス駆動部に同期した複数のゲ
   ート区間発生手段と、前記ゲート区間における前記位相
   検出手段の出力の位相差を求める位相差演算手段と、前
   記タイミング制御部の異なる状態、あるいは前記検査周
   波数の異なる値に対応した前記位相差演算手段の出力の
   差を求める位相シフト演算手段と、前記位相シフト演算
   手段の出力から異なる周波数における位相速度の比を求
   める消去演算手段とを具備すること特徴とする超音波計
   測装置。